虚拟仿真技术在工程训练教学中的探索及应用

——以沈阳建筑大学“智能建造+智能制造”虚拟仿真实训室为例

文章所属范围：实践教学研究

宋高明 张艺宁

（沈阳建筑大学 沈阳 110168）

摘要：当前，在“新工科”建设的高等教育背景之下，工程教育的重要目标已由传统授课模式转变为培养大学生的创新能力和创新意识^[1]。随着数字化和信息化技术发展，虚拟仿真技术在教学领域的应用逐步成为高校教学改革的重要组成部分。本文分析了传统工程训练课程在教学目标、内容、方法等方面的不足，提出在工程训练实训课程中引入虚拟仿真实训的教学案例，探索出“理论讲授-虚仿实训-实际操作”的教学模式。该模式以学生为中心，区别于传统理论到实操的线性模式，实现教学过程闭环，旨在培养学生的创新意识和创新能力。

关键词：虚拟仿真；工程训练；智能建造；智能制造；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A

引言

以VR、AR、MR为代表的虚拟仿真技术不断渗透到生产生活中^[2]。工程训练是培养学生实践能力和工程意识的关键环节，但传统教学存在成本高、耗材多、场地不足、风险大等问题。沈阳建筑大学工程训练与创新创业学院打造“智能建造+智能制造”一体化虚拟仿真实训平台，将数字技术运用于工程训练，探索以虚助实、虚实交融的实践教学新路径。本文以该实训室建设为例，总结虚拟仿真技术开展工程训练教学的经验与不足，为同类院校提供参考。

一、虚拟仿真实训室建设的时代背景与核心理念

（一）时代背景：技术演进与教育变革的双重驱动

以数字化、网络化、智能化为特征的第四次工业革命推动“智能建造”与“智能制造”深度融合，对工程人才培养的跨界融合能力提出更高要求。目前大部分工程训练课程仍偏向传统机械加工，教学方式单一，难以满足产业新业态需求^[3]。

（二）核心理念：构建“四位一体”的育人新平台

实训室旨在构建集“教学实训、创新实践、科研探索、社会服务”四位一体的综合性育人平台。教学实训平台：将抽象、危险、昂贵的实操过程虚拟化，使学生扎实掌握技能；创新实践平台：基于预置资源让学生自主设计实训模块，激发创新意识；科研探索平台：提供数字孪生建模及交叉学科研究环境^[4]；社会服务平台：面向企业、院所开放共享，开展技术培训和产品仿真测试，服务区域经济^[5]。

二、虚拟仿真实训室的建设内容与系统架构

（一）沉浸式、多模态的硬件环境构建

硬件环境依据不同教学需求配备多种设备^[6]：浸没式VR头盔实训区：配置31套高性能VR头盔及串流工作站，支持整班同步实训；大空间行走与交互区：配备VR走步机，适用于建筑工地巡视、大型设备操作等大面积移动项目；协作研讨与展示区：配备VR光能黑板及6台75英寸触控一体机，实现小组协作与混合式教学。

图1虚拟仿真实训室硬件环境

（二）覆盖核心产业链的模块化教学资源建设

1. 智能制造系列资源：（1）基础制造单元实训：涵盖车工、铣工、数控加工等虚拟仿真系统，模拟完整流程及错误后果，无安全风险；（2）典型零件综合加工：针对轴类、箱体类零件，构建工艺过程虚拟仿真，培养工艺规划能力；（3）智能制造系统仿真：集成NXCAD、PLM、ERP、MES、WMS/WCS，真实反映订单到交付全流程，体现信息与价值流集成。

图2智能制造系列资源

2. 智能建造系列资源：（1）装配建筑施工全流程仿真：模拟构件进场、塔吊布置、吊装固定，掌握装配式核心施工技术；（2）附着式升降防护平台（爬架）仿真：包含认知、搭建、爬升、拆除等模块；（3）城市顶管工程非开挖施工仿真：模拟不同地质水文条件下施工方案、设备选型及参数决策。

图3智能建造系列资源

三、建设成效与初步评估

（一）教学层面：学习体验与效果的双重提升

虚拟仿真实训显著增强学生学习兴趣，游戏化交互方式提高参与度；同时提供“上帝视角”与透视能力，使学生深入理解智能制造系统与大型工程复杂流程，传统教学难以比拟。

（二）学生发展层面：创新能力与实践能力的同步拓展

学生依托平台开发出多项优秀VR作品，在“互联网+”“挑战杯”等活动中获奖，创新信心大幅提升；跨专业虚拟项目实践培养了学生的团队协作与复杂工程问题解决能力，工程综合素养得到强化。

（三）教师发展层面：教学改革与科研创新的新支点

新平台激励青年教师投身虚拟仿真资源开发，教改项目申报积极性提高；VR走步机、协同仿真平台等设备为工程心理学、人机工程学、数字化施工模拟等研究提供新工具与载体。

四、面临的挑战与未来展望

（一）当前面临的主要挑战

1. 优质内容持续开发压力：现有资源难以满足专业细化和前沿发展，需不断投入资金和人力进行内容升级；2. 虚实深度融合问题：虚仿教学需与课程大纲、学分考核体系有机融合，避免“两张皮”，需科学设定虚实课时比例及评价标准；3. 师资队伍能力转型：部分教师对新技术存在畏难情绪，需加强虚拟仿真设备使用和教学内容开发的培训；4. 技术设备维护更新：VR设备高频使用易出现故障，需建立完善的运维管理制度和技术支持体系。

（二）未来发展方向与展望

建立开放共享虚拟仿真资源生态，对接国家级虚拟仿真实验教学课程共享平台，实现“引进-消化-创新-输出”的资源互通；深化产教融合，联合企业共建“工程师创新训练中心”，开发企业实际需求的虚拟培训课程，面向社会开展技能培训，实现平台社会价值与经济价值的最大化。

结语

沈阳建筑大学工程训练与创新创业学院的实践证明，虚拟仿真技术能够革新工程训练教学范式，突破传统时空与资源限制，提升学习兴趣与技能训练效率，培养学生系统思维和多学科交叉能力，为反哺科研与服务社会提供动力，为我国培养卓越工程人才贡献力量。

参考文献

[1] 教育部. 教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[Z]. 2018.

[2] 李志义，刘志军，朱泓等. 工程教育专业认证视角下的虚拟仿真实验教学项目建设思考[J]. 实验技术与管理，2020,37(1):1-4.

[3] 王孙禺，孔寒冰，陈强等. 面向未来工程教育的实践教学体系重构[J]. 高等工程教育研究，2020(1):1-8.

[4] 刘献君，周艳球. 虚拟现实技术在教育中的应用：价值、挑战与对策[J]. 现代教育技术，2019,29(3):12-18.

[5] 钟志华，周济等. 智能制造与智能建造融合发展研究[J]. 中国工程科学，2021,23(4):1-9.

[6] 沈阳建筑大学工程训练与创新创业学院. “智能建造+智能制造”虚拟仿真实训室建设项目论证报告[R]. 2024.

作者简介：宋高明，男（1994—），机械工程硕士，助理实验师。研究方向：工程教育、虚拟仿真技术、工程车辆智能技术。电子邮箱：songgaoming@sjzu.edu.cn

联系方式：宋高明 电话：18540338329；通讯地址：辽宁省沈阳市浑南区浑南中路25号 沈阳建筑大学

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